Mustekalat, kalmarit ja muut pääjalkaiset ovat värisokeita – niiden silmät näkevät vain mustaa ja valkoista – mutta niiden oudosti muotoillut pupillit saattavat antaa niille mahdollisuuden havaita värejä ja jäljitellä taustan värejä, kertoo isä-poika-parivaljakko Kalifornian yliopistosta Kaliforniasta, Berkeleystä ja Harvardin yliopistosta.
Biologit ovat vuosikymmenien ajan pohtineet paradoksia, jonka mukaan pääjalkaisten silmät sisältävät vain yhdenlaisen valoreseptorin, mikä tarkoittaa, että ne näkevät periaatteessa vain mustaa ja valkoista, vaikka niiden iho on loistavasti värillinen ja ne kykenevät muuttamaan väriä nopeasti sulautuakseen taustaan.
Miksi uros ottaisi riskin vilauttaa kirkkaita värejään parittelutanssin aikana, jos naaras ei edes näkisi sitä, mutta lähellä oleva kala näkisi – ja nielaisi sen nopeasti? Ja miten nämä eläimet voisivat sovittaa nahkansa värin ympäristöönsä naamiointina, jos ne eivät itse asiassa näe värejä?
Berkeleyn yliopiston jatko-opiskelijan Alexander Stubbsin mukaan pääjalkaiset saattavat itse asiassa nähdä värejä – vain eri tavalla kuin muut eläimet.
Avaimena on epätavallinen pupilli – U:n, W:n tai käpälän muotoinen – joka sallii valon tulla silmään linssin läpi monesta suunnasta eikä vain suoraan verkkokalvolle.
Ihmisten ja muiden nisäkkäiden silmissä on pyöreät pupillit, jotka supistuvat neulanrei’iksi antaen meille terävän näön, jossa kaikki värit on keskitetty samaan pisteeseen. Mutta kuten kaikki silmälääkärissä käyneet tietävät, laajentuneet pupillit eivät ainoastaan tee kaikkea epäselväksi, vaan luovat myös värikkäitä hapsuja esineiden ympärille, mitä kutsutaan kromaattiseksi aberraatioksi.
Tämä johtuu siitä, että silmän läpinäkyvä linssi – joka ihmisillä muuttaa muotoaan tarkentaakseen valon verkkokalvolle – toimii kuin prisma ja pilkkoo valkoisen valon sen osatekijöiksi. Mitä suuremman pupillialueen kautta valo tulee silmään, sitä enemmän värit hajaantuvat. Mitä pienempi pupilli on, sitä pienempi on kromaattinen poikkeama. Kameran ja kaukoputken linssit kärsivät vastaavalla tavalla kromaattisesta aberraatiosta, minkä vuoksi valokuvaajat sulkevat objektiivinsa saadakseen terävimmän kuvan, jossa on vähiten värien epätarkkuutta.
Pääjalkaisten epätavalliset pupillit (ylhäältä alkaen seepia, kalmari ja mustekala) päästävät valoa silmään monesta suunnasta, mikä hajauttaa värit ja mahdollistaa sen, että otukset pystyvät määrittämään värejä, vaikka ne ovatkin teknisesti katsottuna värisokeita. (Kuvat: Roy Caldwell, Klaus Stiefel, Alexander Stubbs)
Pääjalkaiset ovat kuitenkin kehittäneet laajat pupillit, jotka korostavat kromaattista poikkeavuutta, Stubbs sanoi, ja niillä saattaa olla kyky arvioida värejä tuomalla tietyt aallonpituudet tarkentumaan verkkokalvolla samaan tapaan kuin kameleonttien kaltaiset eläimet arvioivat etäisyyksiä suhteellisen tarkennuksen avulla. Ne tarkentavat näitä aallonpituuksia muuttamalla silmämunan syvyyttä, muuttamalla linssin ja verkkokalvon välistä etäisyyttä ja liikuttamalla pupillia niin, että sen akselin ulkopuolinen sijainti muuttuu ja siten myös kromaattisen epätarkkuuden määrä.
”Ehdotamme, että nämä eläimet saattavat käyttää hyväkseen eläinten silmissä kaikkialla esiintyvää kuvan heikkenemisen lähdettä, jolloin vika muuttuu ominaisuudeksi”, Stubbs sanoi. ”Vaikka useimmat eliöt kehittävät tapoja minimoida tämä vaikutus, mustekalojen ja niiden mustekalan ja seepian sukulaisten U-muotoiset pupillit itse asiassa maksimoivat tämän epätäydellisyyden niiden visuaalisessa järjestelmässä samalla kun ne minimoivat muut kuvavirheen lähteet, mikä sumentaa niiden näkemystä maailmasta, mutta väririippuvaisella tavalla, ja avaa niille mahdollisuuden saada väritietoa.”
U:n muotoiset pupillit
Stubbsia on kiehtonut värisokea/naamioitumisparadoksi siitä lähtien, kun hän luki siitä lukiossa, ja sukellusretkillä Indonesiassa ja muualla koki omakohtaisesti, miten värikkäitä seepiat, kalmarit ja mustekalat – ja niiden ympäristö – ovat.
Hän keksi ajatuksen, että pääjalkaiset voisivat käyttää kromaattista aberraatiota nähdäkseen värejä, kun hän oli kuvannut ultraviolettivalolla näyttäviä liskoja ja huomannut, että UV-kamerat kärsivät kromaattisesta aberraatiosta. Hän kehitti yhdessä isänsä, Harvardin astrofyysikon Christopher Stubbsin kanssa tietokonesimulaation, jolla mallinnettiin, miten pääjalkaisten silmät voisivat käyttää tätä värin aistimiseen. He julkaisevat hypoteesinsa tällä viikolla verkossa Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä.
He tulivat siihen tulokseen, että kalmarin ja seepian kaltainen U:n muotoinen pupilli antaisi eläimille mahdollisuuden määrittää värin sen perusteella, tarkentuuko se verkkokalvolle vai ei. Monien mustekalojen käpälänmuotoiset pupillit toimivat samalla tavalla, sillä ne ovat kietoutuneet silmämunan ympärille U:n muotoon ja tuottavat samanlaisen vaikutuksen alaspäin katsottaessa. Tähän saattaa jopa perustua värinäkö delfiineillä, joilla on U:n muotoiset pupillit supistuessaan, ja hyppyhämähäkeillä.
”Niiden näkö on sumea, mutta sumeus riippuu väristä”, Stubbs sanoi. ”Ne olisivat verrattain huonoja erottamaan valkoisia kohteita, jotka heijastavat kaikkia valon aallonpituuksia. Mutta ne pystyisivät melko tarkasti tarkentamaan kohteisiin, jotka ovat puhtaampia värejä, kuten keltaista tai sinistä, jotka ovat yleisiä koralliriutoilla, kivillä ja levillä. Näyttää siltä, että ne maksavat kovan hinnan pupillinsa muodosta, mutta saattavat olla valmiita elämään heikentyneen näöntarkkuuden kanssa säilyttääkseen kromaattisesti riippuvaisen hämärtymisen, ja tämä saattaisi mahdollistaa värinäön näissä eliöissä.”
Suurisuinen riuttakalmari Sepioteuthis lessoniana vaihtaa elävästi väriä antaessaan viestiä oman lajinsa jäsenille. (Photo courtesy of Gary Bell/OceanwideImages.com)
”Teimme laajoja tietokonemallinnuksia näiden eläinten optisesta järjestelmästä, ja olimme yllättyneitä siitä, miten voimakkaasti kuvan kontrasti riippuu väristä”, sanoo Harvardin fysiikan ja tähtitieteen professori Stubbs. ”Olisi sääli, jos luonto ei käyttäisi tätä hyväkseen.”
Nuorempi Stubbs kävi laajasti läpi 60 vuotta kestäneitä tutkimuksia pääjalkaisten värinäöstä ja havaitsi, että vaikka jotkut biologit olivat raportoineet kyvystä erottaa värejä, toiset raportoivat päinvastaista. Negatiivisissa tutkimuksissa testattiin kuitenkin usein eläimen kykyä nähdä yksivärisiä värejä tai kahden yhtä kirkkaan värin välisiä reunoja, mikä on tämäntyyppiselle silmälle vaikeaa, koska kameran tapaan on vaikea keskittyä yksiväriseen väriin, jossa ei ole kontrastia. Pääjalkaiset pystyvät parhaiten erottamaan tummien ja kirkkaiden värien väliset reunat, ja itse asiassa niiden näyttökuviot ovat tyypillisesti mustilla palkeilla erotettuja värialueita.
”Uskomme löytäneemme tyylikkään mekanismin, jonka avulla nämä pääjalkaiset pystyvät määrittämään ympäristönsä värin, vaikka niiden verkkokalvolla on vain yksi näköpigmentti”, hän sanoi. ”Tämä on täysin erilainen järjestelmä kuin moniväriset näköpigmentit, jotka ovat yleisiä ihmisillä ja monilla muilla eläimillä. Toivomme, että tämä tutkimus kannustaa pääjalkaisten yhteisöä tekemään lisää käyttäytymiskokeita.”
Uuden teorian mukaan Sepia bandensis -seepian pupilli maksimoi kromaattisen sumeuden, minkä ansiosta eläin pystyy havaitsemaan värejä. (Kuva: Roy Caldwell)
Stubbs huomautti, että pääjalkaiset eivät välttämättä menetä kovinkaan paljon väri-informaatiota, koska niillä on vain yhdenlainen fotoreseptori, sillä vesi estää punaiset värit niin, että vain suppeampi osa optisesta valosta todella tunkeutuu mataliin syvyyksiin, joissa ne elävät. Kun niillä on yksi fotoreseptori, joka reagoi laajaan värivalikoimaan tuossa syvyydessä, ne voivat nähdä hämärässä valossa pupilli täysin laajentuneena, kun taas akselin ulkopuolella oleva pupilli säilyttää mahdollisuuden spektriseen erottelukykyyn kirkkaissa valo-olosuhteissa.
Huomiota herättävää on se, että kromaattisen aberraation käyttäminen värien havaitsemiseen on laskennallisesti vaativampaa kuin muunlainen värinäkö, kuten oma värinäkömme, ja se luultavasti vaatii paljon aivokapasiteettia, Stubbs sanoi. Tämä saattaa osittain selittää, miksi pääjalkaiset ovat maapallon älykkäimpiä selkärangattomia.
Työtä ovat tukeneet UC Berkeleyn selkärankaisten eläintieteen museo, Alexander Stubbsin Graduate Research Fellow Program -apuraha ja Harvardin yliopisto.